汽车结构有限元分析第六讲汽车结构有限元分析实例
06-01车辆结构有限元模态分析
一、有限元模态分析基础
车辆结构的固有振动频率和振型可以从 两个方面获得： （1）通过对实际样车进行试验，识别出结构 的各阶模态频率和振型； （2）通过理论分析计算得出结构的各阶模态 和振型。
一、有限元模态分析基础
需要明确的是模态分析中只有线性行为 是有效的。如果分析中含有接触单元，则系 统取其初始状态的刚度之，并不再改变此刚 度值。模态分析中必须制定杨氏模量EX和密 度DENS（或某种形式的质量）。
一、有限元模态分析基础
模态分析要点： 1）必须要定义杨氏模量EX和密度DENS； 2）网格的划分对后续分析影响较大； 3）约束与否以及约束的位置对模态分析影响 较大。
一、有限元模态分析基础
模态分析分为三大类：自由模态分析、 约束模态分析、带预应力的模态分析。 所谓“自由”就是被分析的部件没有任 何的约束，有限元分析的频率就是部件的固 有频率。 约束模态是分析前处理好部件工作时的 边界条件，模拟工况。
一、有限元模态分析基础
模态分析的主要目的是用于确定系统振 动特性，即系统结构的固有频率及与此相对 应的振型。由于车辆在行驶过程中受到各方 面的动态载荷，如路面不平、发动机相关的 振动冲击等，使得车辆发生振动。 为避免因系统结构的固有频率与其他动 态载荷的频率相同相近而引发的共振，一般 需对车辆零部件进行模态分析。模态分析是 瞬态动力学、谐响应和谱分析等的基础。
车辆结构有限元分析
常熟理工学院（东南校区）
汽车工程学院——胡顺安
第六章 车辆结构有限元模态分析
有限元模态分析基础 悬臂梁约束模态分析 发动机曲轴自由模态分析 发动机曲轴约束模态分析
一、有限元模态分析基础
模态分析是振动工程理论的一个重要分 支，是研究结构动力特性的一种近代方法。 通过它可以确定机械系统的固有频率、振型 和振型参与系数，即在特定方向上某个振型 在多大程度上参与了振动。
有限元分析实例
机械与动力工程学院
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1.钢板弹簧的作用
承载
导向
减振
缓和冲击
国内外研究现状
钢板弹簧的垂直方向载荷的计算上常用计算方法：
三角形板法 :假设各弹簧片为一个整体的三角形板
国 内
板端接触法
:假设力在各片弹簧间的传递仅靠各片 端来完成
共同曲率法 :假定各片的弯曲具有共同的曲率
第二，在同一工况下，例如在标定功率工况下，当活 塞的活塞顶圆角半径的变化是5 mm , 6 mm , 3 mm , 2 mm时，活塞的最高温度变化为: 361.15℃~180.96℃ ,356.94℃~180.01℃, 369.78℃~182.24℃ , 373.88℃~183.7℃。这是因为当 活塞的活塞顶圆角半径变大时，燃烧室容积变大，压 缩比变小，活塞的整体温度降低了。当活塞的活塞顶 圆角半径变小时，燃烧室容积变小，压缩比变大，活 塞的整体温度升高了。所以在设计活塞的活塞顶圆角 时应在不影响其结构时尽可能的大一点。本文中活塞 顶圆角半径为6 mm的活塞是相对较好的。
满载应力分析（少片）
最大应力 =280.68MPa<材料许
用应力=1000MPa
结论
1.对板簧的结构与尺寸设计的强度方面的校核与有限元分析 表明校核的结果符合相关技术要求。
2.在相同条件以及同样寿命的前提下，使用少片变截面钢板 弹簧，重量大约比多片弹簧减少50%左右。
基于Workbench 对发动机活塞的温度场分析
有限元结课汇报
主讲人：尹振华
主 1、基于Workbench的曲柄连杆组动力学分析——
要 成
2、基于ANSYS刹车盘应力分析——
员 及
车架有限元分析
以ANSYS软件为分析工具对从国外引进的某重型车的车架进行了有限元分析、模态分析和以路面谱为输入的随机振动分析，通过用壳单元离散车架及MPC单元模拟铆打传力建立计算模型，研究该车架静、动态性能，了解该车架的优缺点。
车架是汽车的重要组成部分，在汽车整车设计中占据着重要位置，车架结构设计历来为广大汽车厂商所重视。
本文以某汽车公司从欧洲引进的某重型车车架为研究对象，对该车架结构的动、静态特性进行分析计算，消化、吸收欧洲的先进技术并在此基础上进行自主创新设计。
分析手段主要是通过建立正确的有限元分析模型，对车架进行典型工况的静态分析、模态分析和路面不平度引起的随机振动分析，以此了解车架的静态和动态特性，了解该车架的优越性能及其不足之处，为新车架的改型设计提供依据。
1 有限元分析模型的建立该车架为边梁式，由两根位于两边的纵梁和若干根横梁组成，用铆接或焊接方式将纵梁和横梁联接成坚固的刚性结构，纵梁上有鞍座，其结构如图1所示。
由于车架是由一系列薄壁件组成，有限元模型采用壳单元离散能详细分析车架应力集中问题，可以真实反映车架纵、横梁联接情况，是目前常采用的一种模型。
该车架是多层结构，纵梁断面为槽形，各层间用螺栓或铆钉联接，这种结构与具有连续横截面的车架不同，其力的传递是不连续的。
该车架长7m，宽约0.9 m，包括双层纵梁、横梁、外包梁、背靠梁、鞍座、飞机板、铸铁加强板、发动机安装板、三角支撑板和后轴等部分。
考虑到车架几何模型的复杂性，可在三维CAD软件UG里建立车架的面模型，导人到Hypermesh 软件中进行网格划分等前置处理，然后提交到ANSYS解算。
车架各层之间的铆钉联接，可以用Hypermesh-connectors中的bar单元来模拟铆钉联接，对应的是ANSYS的MPC单元，因车架各层间既有拉压应力，又有剪应力，故MPC的类型应选择Rigid Beam方式。
由于该车是多轴车，为超静定结构，为了得到车架结构的真实应力分布，必须考虑悬挂系统的变形情况。
有限元分析方法在汽车碰撞研究中的应用
有限元分析方法在汽车碰撞研究中的应用作者：李博闻随着我国经济实力的不断增强，人们的物质生活水平日益提高，汽车已经逐渐成为人们的代步工具。
很多中国企业与外国跨国公司合作生产研发汽车产品。
我国的汽车年产量逐年攀升，生产制造水平也逐步提高。
纽约时报预测中国将成为世界上最大的汽车生产国。
私家汽车给人们带来了便利，让人们更充分的享受生活。
随着全世界汽车数量的迅速增加，汽车质量、驾驶技术问题及道路状况等多种因素合力作用结果，汽车交通事故已成为严重问题。
联合国世界卫生组织（WHO）提交的最新报告显示：近几年全球每年因交通事故造成死亡的人数多达约120万，另外还有数百万人在汽车事故中受伤致残。
面对这个严重的问题，各国的工程技术人员都在不遗余力的提高汽车的安全性能。
各国政府相应的制定了碰撞安全性能标准，具有代表性的有美国的FMVSS汽车碰撞安全法则、欧洲的ECE和EEC汽车碰撞安全法则。
目前最为人关注的碰撞试验为NCAP （NewCarAssessmentProgram）。
早期的被动安全性研究主要是通过大量的试验来进行，采用同样的碰撞过程反复进行，收集数据。
这样的试验方法需要相当长的时间。
发达国家每次汽车安全性能的试验都需要手工打造几十辆新车，人力、物力、财力都需要很大的消耗。
伴随着计算机技术的发展，原来不可能完成的大量参数有限元计算成为可能。
有限元计算分析方法运用到汽车的碰撞模拟仿真中，极大地降低了汽车的设计成本和研发周期，并且获得更为精确的数据对汽车结构进行下一步优化。
1汽车碰撞过程的特点汽车碰撞是汽车结构在极短的时间内(通常在100ms以内)，在剧烈碰撞冲击载荷作用下发生的一种复杂的非线性动态响应过程。
在汽车碰撞中，各种非线性的问题都涉及到了，既有结构发生大位移和大转动所引起的几何非线性，又有各种材料发生大应变时所表现的物理非线性(材料非线性)。
2非线性有限元理论在某一瞬间时，物体在空间所占据的区域V称为物体的构型。
长安大学汽车结构有限元分析
汽车结构有限元分析一：有限单元法的思想：从数学角度看，其基本设想是通过离散化的手段，将偏微分方程或者变分方程变换成代数方程求解。
从力学角度看，其基本思想是通过离散化的手段，将连续体划分成有限个小单元体，并使他们在有限个节点上相互连接。
在一定精度要求下，用有限个参数来描述每个单元的力学特性，整个连续体的力学特性可以认为是这些小单元体的力学特性综合，从而建立起连续体的力的平衡关系。
二：有限元方法的应用：整车及零部件的强度疲劳寿命分析；整车及零部件刚度分析；整车及零部件的模态分析；汽车NVH分析；整车碰撞安全性分析；设计优化分析；气动或者流场分析；热结构耦合分析。
三：汽车结构有限元分析的流程：1、将连续分割成有限大小的区域:，这些小区域即为有限单元，单元之间以节点相连。
2、选择节点的物理量，如位移、温度作为未知量，对每个单元假设一个简单的连续位移函数来近似模拟其唯一分布规律3、利用有限单元法的不同解法，如根据虚功原理建立每个单元的平衡方程，形成单元性质的矩阵方程。
4、将各个单元在组装成原来的整体区域，建立整个物体的平衡方程组，形成整体刚度矩阵。
5、引入边界条件，即约束处理，求解出节点上的未知数。
四：弹性小挠度薄板弯曲基本假设：1、变形前垂直于中面的法线在变形后仍是弹性曲面的法线。
2、板厚方向的位移沿板的厚度是不变的，与中面的ω一致。
五：总刚度矩阵的性质：1、对称性2、稀疏性3、带状分布4、奇异性证明∑X=0∑Y=0结构处于平衡【边界约束前具有1-4的性质约束后有1-3的性质】六：什么叫等参单元等参单元有何优点和特点等参数单元简称等参元就是对单元几何形状和单元内的参变量函数采用相同数目的节点参数和相同的形函数进行变换而设计出的一种新型单元。
优点1、形函数用局部坐标表示2、局部坐标与直角坐标变换通过几何参数表达3、坐标变换几何参数量与形函数节点参数数量相同4、各类等参数单元构造方法相同。
七：什么是模态分析模态分析是研究结构动力特性一种近代方法是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。
车辆有限元PPT课件
安徽农业大学
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汽车结构有限元分析及应用
2）详细设计阶段（车身）
•车 身 强 度 刚 度 及 灵 敏 度 分 析 •截 面 与 接 头 分 析 •开 闭 件 的 强 度 刚 度 分 析 •车 身 附 件 的 强 度 刚 度 分 析 •模 态 分 析 及 频 率 响 应 分 析 •N V H 分 析 •安 全 性 分 析 •耐 久 性 分 析
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结构分析有限元法的实现
网格尺寸大小
安徽农业大学
网格大小对计算精度和速度有重要影响 原则： 在保证计算精度的情况下，采用尺寸大的网格划分方法
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结构分析有限元法的实现
网格形状
网格形状的优劣对计算精度有重要影响
安徽农业大学
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结构分析有限元法的实现
2、节点位移约束
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绪论
（5）程序面向用户的开放性
安徽农业大学
第11页/共68页
绪论
4、有限元分析的典型步骤
安徽农业大学
•连续体的离散化 •选择位移模型 •用变分原理推导单元刚度矩阵 •集合整个离散化连续体的代数方程 •求解位移矢量 •由节点位移计算出单元的应变和应力
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绪论
安徽农业大学
1、汽车结构设计准则与目标 2、汽车结构有限元建模 3、单元选用及网格划分 4、边界约束条件处理 5、受力分析与载荷处理 6、汽车结构有限元分析指南
安徽农业大学
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汽车结构有限元分析及应用
1、汽车结构设计准则与目标
安徽农业大学
（1）汽车结构设计涉及的内容 （2）汽车结构设计目标 （3）汽车结构设计准则
有限元分析技术在电动汽车结构设计中的应用
有限元分析技术在电动汽车结构设计中的应用在当今的汽车市场中，电动汽车已成为一种非常受欢迎的选择。
事实上，在全球范围内，越来越多的消费者倾向于购买电动汽车，并将其用于日常出行。
因此，汽车制造商需要采用新的设计技术来确保电动汽车的安全和可靠性。
有限元分析技术正是一种在电动汽车结构设计中应用广泛的新技术。
有限元分析技术是一种通过数学模型将复杂的结构分解为许多小的元素的技术。
这些元素是相互连接的，通过计算每个元素的应力和变形，可以计算整个结构的行为。
在电动汽车结构设计中，有限元分析技术可以用于强度、刚度、疲劳寿命、碰撞安全等方面的分析。
首先，在电动汽车的设计和开发过程中，有限元分析技术可以帮助工程师进行结构强度和刚度的分析。
电动汽车的底盘和车身结构需要具有高强度和高刚度，以保证安全和驾驶品质。
通过有限元分析技术，工程师可以模拟汽车在各种条件下的力学特性，并通过计算每个元素的应力和变形来确定结构的强度和刚度。
这种分析可以帮助工程师在设计阶段发现和修复结构中的弱点，并更好地优化设计。
其次，疲劳寿命也是电动汽车结构设计中需要考虑的一个重要因素。
在电动汽车的使用中，由于电动汽车的电池重量和结构设计，车身会承受更大的负荷。
因此，有限元分析技术可以用于预测汽车的疲劳寿命和寿命下降的原因。
通过这种分析，工程师可以在设计阶段发现潜在的问题，并优化结构来避免寿命损失。
第三，在电动汽车的设计和开发过程中，碰撞安全也是不可忽视的一个问题。
有限元分析技术可以用于模拟汽车在碰撞过程中的应力和变形，从而提前发现和解决碰撞安全问题。
这种分析可以帮助工程师确定各个部件的应力和应力分布，确保汽车能够在不同的碰撞条件下保持安全。
同时，有限元分析技术还可以用于优化碰撞防护装置的设计，提高碰撞安全性。
总之，有限元分析技术是电动汽车结构设计中的一项重要技术。
通过这种技术，工程师可以模拟电动汽车在各种情况下的力学特性，并确定结构的强度、刚度、疲劳寿命和碰撞安全等方面的特性。
汽车车架简化模型有限元分析
汽车典型零部件简化模型有限元分析任务1：连杆简化模型的有限元分析1. 分析任务：对图一所示的连杆的二维简化模型进行有限元分析，确定该设计是否满足结构的强度要求；若强度不够，修改设计直至最大应力减小至材料允许的范围内。
在修改结构时，注意不可改变连杆小头衬套的内径和连杆大头的内径，也不可改变连杆各处的厚度和材料。
2. 分析所需数据：a．连杆采用两种材料，连杆本体用的是40Cr结构钢，左侧小头中的衬套用的是铜。
b．连杆杆身和大头的厚度为1.5mm，小头的厚度为3.0mm。
注意在杆身和小头的过渡处有R2.0的过渡圆角；c．连杆结构的其它尺寸如图二所示；d．施加在大、小头内壁上的边界条件用于模拟连杆与曲轴及活塞销的连接。
假定载荷分布在小头夹角为90º的内壁上，且为锥状分布；约束施加在连杆大头夹角为90º的内壁上；e．40Cr材料的弹性模量：210GPa；泊松比：0.3；屈服极限为：850MPa，设计安全系数为6；铜的弹性模量：120GPa，泊松比：0.33；屈服极限为：250MPa；设计安全系数为4。
3. 完成该分析应掌握的ANSYS技术：a．单元类型的选择；单元的尺寸控制；b．不同厚度和材料的二维实体建模；c．工作平面的灵活应用；d．按载荷和约束的要求分割线和面；e．模型参数（材料，实常数，单元类型号等）f．粘结、合并等布尔运算操作g．局部坐标系，旋转节点坐标系；h．线性分布载荷的施加；i．单元网格误差估计；j．Ansys 命令日志文件及其在修改设计中的应用；k．多窗口显示的功能4. 分析报告内容的基本要求：a.对分析任务的描述；列出分析所需数据：b.利用多窗口显示的功能绘出连杆的实体模型和网格模型，在模型上能反映出连杆各部位材料、厚度的不同；c.绘图反映连杆的边界条件；d.绘出对连杆原设计进行有限元分析后得到的变形图和应力等值线图；e.图示SEPC和SERR并说明有限元分析的建模误差；f.详细说明对不符合设计要求的结构所作的设计修改；及最终符合设计要求的计算结果；g.在分析中遇到的关键问题（在实体建模、网格剖分、边界条件施加等各个步骤中出现的）及解决的办法；h.整理命令日志文件，并在每个语句后添加说明（说明该语句的功能，说明前要加！号）。